特許 6696912 マルチスペクトルイメージングのための方法及び手段

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6696912

(24)【登録日】2020年4月27日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】マルチスペクトルイメージングのための方法及び手段

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/64 20060101AFI20200511BHJP

   A61B 1/00 20060101ALI20200511BHJP

   A61B 10/00 20060101ALI20200511BHJP

   G02B 23/24 20060101ALI20200511BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20200511BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/64 Z

   A61B1/00 511

   A61B10/00 E

   G02B23/24 B

   G02B21/36

   A61B1/00 513

【請求項の数】16

【全頁数】34

(21)【出願番号】特願2016-571099(P2016-571099)

(86)(22)【出願日】2015年6月3日

(65)【公表番号】特表2017-526899(P2017-526899A)

(43)【公表日】2017年9月14日

(86)【国際出願番号】EP2015062447

(87)【国際公開番号】WO2015185661

(87)【国際公開日】20151210

【審査請求日】2017年2月1日

(31)【優先権主張番号】14171378.4

(32)【優先日】2014年6月5日

(33)【優先権主張国】EP

(31)【優先権主張番号】15160630.8

(32)【優先日】2015年3月24日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】509223977

【氏名又は名称】ウニベルジテート ハイデルベルク

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】ディミトリアディス ニコラス

(72)【発明者】

【氏名】デリオラニス ニコラオス

【審査官】 伊藤 裕美

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００６−５２５４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２８７０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２２２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２３９０７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−０１４８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１６３５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５００９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００４０７５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３０２７４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／１０９９６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２４７５３５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／６２−２１／８３

Ａ６１Ｂ １／００−１／３２

Ｇ０２Ｂ ２１／００−２１／３６

Ｇ０２Ｂ ２３／２４−２３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物質（４００）の蛍光画像及び反射画像を取得するための装置の作動方法であって、
前記物質（４００）を第１光と第２光とで交互に照らし、前記第１光は、前記物質からの蛍光のいくつかの領域の励起のための、高い強度の少なくとも２つのスペクトル領域を含み、且つ、高い強度の領域よりも波長が長い、低い強度の複数の領域を含み、前記蛍光の各領域は、前記第１光の高い強度の前記少なくとも２つのスペクトル領域のうちの１つよりも長い波長であり、前記第２光は、前記物質の反射光の生成のための高い強度のスペクトル領域を少なくとも１つ含み、前記第１光に関して、短い波長で高い強度の領域における光強度と長い波長で低い強度の領域における光強度との間の強度割合は、１×１０^２以上であり、
共通のセンサアレイ（２００）を用いて、前記第１光によって前記物質を照らしている期間の前記物質の第１画像を記録して前記物質からの蛍光の前記いくつかの領域を同時に記録すると共に、前記第２光によって前記物質を照らしている期間の前記物質の第２画像を記録し、
前記第１画像として前記センサアレイによって記録される光及び前記第２画像として前記センサアレイによって記録される光は、前記第１光が高い強度を有している少なくとも前記２つのスペクトル領域において、減衰され、
前記センサアレイは、各チャネルが異なるスペクトル感度を有するマルチチャネルアレイであり、
前記第１画像として前記センサアレイによって記録される光及び前記第２画像として前記センサアレイによって記録される光は、前記物質と前記センサアレイとの間に配設された、マルチバンドパスフィルタ（２１３）によって、減衰される、
方法。

【請求項2】

請求項１記載の方法であって、
前記センサアレイ（２００）は、カラーセンサアレイである、
方法。

【請求項3】

請求項１又は２記載の方法であって、前記記録された画像のチャネル画像空間、例えば、カラーセンサのカラー画像空間において得られたデータは、成分画像空間の値に変換され、
前記成分画像空間では、好ましくは、複数の成分が、複数の蛍光色素、複数の吸収体、これらから導き出される値、又は、ノイズの、複数の空間的な分布に対応する、
方法。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の方法であって、
前記第１光及び前記第２光の少なくとも１つに関して、短い波長で高い強度の少なくとも１つの領域における強度と長い波長で低い強度の少なくとも１つの領域における強度との間の強度割合は、１×１０^３以上、さらに好ましくは１×１０^６以上であり、
及び／又は、
減衰されるスペクトル領域の強度に対する、減衰されないスペクトル領域の強度の、減衰割合は、１×１０^２以上、好ましくは、１×１０^３以上、さらに好ましくは１×１０^６以上であり、
及び／又は、
前記第１光が高い強度を有する前記複数のスペクトル領域のうちの少なくとも１つにおいて前記センサアレイによって記録された光の減衰量は、好ましくは、減衰されない複数のスペクトル領域において記録された光の強度が、減衰された１つ又は複数のスペクトル領域の全体において記録された光の強度よりも高くなるように、されている、
方法。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の方法であって、
前記第１光及び／又は前記第２光は、ａ）２つのブロードバンド光源（１１１）からのブロードバンドライト、例えば、白色光によって、生成され、前記ブロードバンドライトは、前記第１光及び前記第２光を生成するために、マルチバンドパスフィルタ（１１２）によってフィルタリングされ、
又は、
ｂ）複数のナローバンド光源（１２１）、好ましくは、複数の発光ダイオードによって生成され、前記複数のナローバンド光源（１２１）から発せられた光は、オプションとして、光パスにおいてマルチバンドフィルタによってフィルタリングされ、
又は、
ｃ）前記ａ）に従ったブロードバンド光源と前記ｂ）に従ったナローバンド光源との組み合わせによって、生成される、
方法。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の方法であって、
前記第２光によって前記物質（４００）を照らしている間に記録された前記第２画像は、弱められたスペクトル領域に関して前記第２画像を補正するために、処理される、
方法。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の方法であって、
前記物質（４００）は、前記物質（４００）で反射された第１反射光を生成するために第２光によって照らされ、且つ、前記物質によって発光されたスペクトルが異なる２つ以上の蛍光の励起のために、スペクトルが異なる２つ以上の第１光によって照らされ、
前記第２光と前記２つ以上の第１光のそれぞれとの間で切り替え、前記２つ以上の第１光に関して、短い波長で高い強度の領域における光強度と長い波長で低い強度の領域における光強度との間の強度割合は、１×１０^２以上であり、
各第１光によって前記物質が照らされている間の前記物質の複数の第１画像、及び、前記第２光によって前記物質が照らされている間の前記物質の第２画像を、共通のセンサアレイ（２００）を用いて記録し、
前記複数の第１画像として前記センサアレイ（２００）によって記録された前記光及び前記第２画像として前記センサアレイによって記録された前記光は、すべての第１光のうちの、１つの、いくつかの、又はすべてのスペクトル領域において、減衰されており、前記１つの、いくつかの、又はすべてのスペクトル領域では、前記第１光は、弱められないスペクトル領域で記録された光の強度が、弱められたスペクトル領域で記録された光の強度よりも高くなるように、高い強度を有しており、
前記第１画像として前記センサアレイによって記録される光及び前記第２画像として前記センサアレイによって記録される光は、前記物質と前記センサアレイとの間に配設された、バンドパスフィルタ（２１３）によって、フィルタリングされる、
方法。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の方法であって、
第１照明期間を有する前記第１光と第２照明期間を有する前記第２光とで、交互に前記物質（４００）を照らし、
他の光のパルス群で前記物質（４００）を照らし、前記他の光のパルス継続期間は、前記第１照明期間よりも短く、且つ、前記第２照明期間よりも短く、
前記他の光による照明期間において、前記第１画像及び前記第２画像の記録を保留するか、
又は、
第１照明期間を有する前記第１光と、第２照明期間を有する前記第２光と、第３照明期間を有する第３光とで、順々に、前記物質（４００）を照らす、
方法。

【請求項9】

物質（４００）の蛍光画像及び反射画像を取得するイメージング装置であって、
第１光源（１２１）及び第２光源（１１１）と、
センサアレイ（２００）と、
減衰器（２１３）と、を有し、
前記第１光源は、前記物質からの蛍光のいくつかの領域の励起のための、高い強度の少なくとも２つのスペクトル領域を含み、且つ、高い強度の領域よりも波長が長い、低い強度の複数の領域を含む、第１光を供給し、前記蛍光の各領域は、前記第１光の高い強度の前記少なくとも２つのスペクトル領域のうちの１つよりも長い波長であり、
前記第２光源は、前記物質の反射光の生成のための高い強度のスペクトル領域を少なくとも１つ含む第２光を供給し、
前記第１光に関して、短い波長で高い強度の領域における光強度と長い波長で低い強度の領域における光強度との間の強度割合は、１×１０^２以上であり、
前記第１光源及び前記第２光源は、前記第１光と前記第２光とで前記物質（４００）を交互に照らすように構成され、
前記センサアレイは、前記第１光によって前記物質を照らしている期間の前記物質の第１画像を記録して前記物質からの蛍光の前記いくつかの領域を同時に記録すると共に、前記第２光によって前記物質を照らしている期間の前記物質の第２画像を記録するように構成され、
前記減衰器は、前記第１画像として前記センサアレイによって記録される光及び前記第２画像として前記センサアレイによって記録される光を、前記第１光が高い強度を有している少なくとも前記２つのスペクトル領域において、減衰し、
前記センサアレイは、各チャネルが異なるスペクトル感度を有するマルチチャネルアレイであり、
前記第１画像として前記センサアレイによって記録される光及び前記第２画像として前記センサアレイによって記録される光は、前記物質と前記センサアレイとの間に配設された、前記減衰器としてのマルチバンドパスフィルタ（２１３）によって、減衰される、
装置。

【請求項10】

請求項９記載のイメージング装置であって、
前記センサアレイ（２００）は、カラーセンサアレイである、
装置。

【請求項11】

請求項９又は１０記載のイメージング装置であって、
前記記録された画像のチャネル画像空間、例えば、カラーセンサのカラー画像空間において得られたデータを、成分画像空間の値に変換するように構成され、
前記成分画像空間では、好ましくは、複数の成分が、複数の蛍光色素、複数の吸収体、これらから導き出される値、又は、ノイズの、複数の空間的な分布に対応する、
装置。

【請求項12】

請求項９から１１のいずれか１項に記載のイメージング装置であって、
前記第１光及び前記第２光の少なくとも１つに関して、短い波長で高い強度の少なくとも１つの領域における強度と長い波長で低い強度の少なくとも１つの領域における強度との間の強度割合は、１×１０^３以上、さらに好ましくは１×１０^６以上であり、
及び／又は、
減衰されたスペクトル領域の強度に対する、減衰されないスペクトル領域の強度の、減衰割合は、１×１０^２以上、好ましくは、１×１０^３以上、さらに好ましくは１×１０^６以上であり、
及び／又は、
前記第１光が高い強度を有する前記複数のスペクトル領域のうちの少なくとも１つにおいて前記センサアレイによって記録される光の減衰量は、好ましくは、減衰されない複数のスペクトル領域において前記センサアレイによって記録された光の強度が、減衰された１つ又は複数のスペクトル領域の全体において前記センサアレイによって記録された強度よりも高くなるように、されている、
装置。

【請求項13】

請求項９から１２のいずれか１項に記載のイメージング装置であって、
前記第２光によって前記物質（４００）を照らしている間に記録された前記第２画像は、弱められたスペクトル領域に関して前記第２画像を補正するために、処理される、
装置。

【請求項14】

請求項９から１３のいずれか１項に記載のイメージング装置を有する、内視鏡又は外科用顕微鏡。

【請求項15】

請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法、請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の装置、又は請求項１４に記載の内視鏡を、反射画像及び／又は蛍光画像を記録するために使用する方法。

【請求項16】

請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法、請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の装置、又は請求項１４に記載の内視鏡を、自動車用途、化学分析、及び物理分析のうちの１つにおける内部検査のために使用する請求項１５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、サンプル、特に生物組織のマルチスペクトルイメージングに関する。

【背景技術】

【0002】

組織を画像化（結像）するとき、照明光が吸収又は散乱される。上記組織が蛍光分子（fluorescence molecules）を含んでいる場合、吸収エネルギーは、上記分子を励起状態（excited state）にすることによって、一時的に蓄積され、また、より長い波長の光子（photon）として部分的に放出される。蛍光として放出された光の強度は、通常、反射された上記励起光（excitation light）よりも大きさが数オーダー小さい。このため、上記蛍光として放出された光から、上記反射光を分離するか又は上記反射光をブロックすることが、必要である。

【0003】

最も実際的な方法は、上記光線の励起パス及び放出（発光）パス（the excitation and the emission paths）においてバンドパスフィルタを用いて、上記記録される放出パスにおいて反射励起（reflected excitation）が漏れ出すことを防ぐために、光のスペクトル域（spectral range）を制限することである。この方法の直接的な結果として、同じ検出パスにおいて上記反射励起画像と同時には上記蛍光画像を取得することはできない。

【0004】

上記蛍光画像及び上記反射画像の両方を取得するために、フィルタの使用不使用に関わらず、２つの取得モード間で切り替えることが必要である。静的な物質（static object）、つまり、上記蛍光画像及び上記反射（反射率）画像を取得している間に、ほとんど変化しない物質に関しては、フィルタを切り替えて連続的に上記２つの画像を取得することに問題は無い。しかしながら、視野内の上記物質が変化する場合、記録された画像群は一致せず、集中的な画像処理の後でさえ

【0005】

さらに、生じうる他の問題は、異なる励起特性及び放出特性を持つ複数の蛍光剤（multiple fluorescent agents）を同時に画像化することである。この場合、上記異なる複数の蛍光色素（different fluorochromes）を画像化するために、励起及び放出のための画像フィルタの異なるセットを用いる必要があり、結果として、複雑性及び得られる画像の数が増大してしまう。さらに、変化する物質群を画像化する場合、より高速なビデオフレームレートで、物質の上記放出された蛍光及び上記反射された励起の両方を記録することが必要である。そして、複数のフィルタの切替も高速に行われる必要がある。

【0006】

マルチスペクトルの画像化を実現するために用いられるいくつかのアプローチが存在する。これらは、ａ）使用されるセンサの数、ｂ）フィルタの切替の使用、ｃ）異なる複数の照明光の切替、又は、ｄ）複数のマルチバンドパスフィルタの使用、複数のビームスプリッタの使用等によって、おおよそ特徴づけることができる。［Y. Garini, I. T. Young, and G. McNamara, "Spectral imaging: Principles and applications," Cytometry Part A 69A, 735-747 (2006) ］

【0007】

これらの従来技術は、以下で詳細に記述される。

【0008】

［複数のフィルタの切替］
いくつかのマルチスペクトル画像化システムは、単一の画像センサを有し、反射率画像モード（reflectance imaging mode）と蛍光画像モード（fluorescence imaging mode）との間での高速切替メカニズムを実行する。これは、バンドパス励起フィルタ（bandpass excitation filter）及びバンドパス発光フィルタ（bandpass emission filter）の複数のセットを用いることによって実現されうる。上記バンドパス励起フィルタ及びバンドパス発光フィルタは、反射率画像及び蛍光画像を高周波数で交互に記録するために、高速で交換される、フィルタ輪（filter wheels）又はフィルタキューブ（filter cubes）に取り付けられている。このアプローチは、容易で光の最も高いスループットを可能とするが、フィルタ輪のような機械的に動くパーツを必要とする。さらに、フィルタの構成に基づいて、一度に１つの蛍光色素分子（fluorophore）だけの強度を記録することができる。近い複数のビデオレート周波数で複数のフィルタを切り替えることは、技術的に複雑であり、カメラのフレーム取り込みシーケンスとの正確な機械的同期を必要とする。

【0009】

機械的部品を避けるために、スペクトル的に調節可能な複数のフィルタ、例えば調節可能な液晶フィルタを用いてもよい。上記調節可能な複数のフィルタの透過スループットは制限されるが、異なる複数の蛍光色素分子に適した複数のスペクトル設定の間での切替は、かなり高速（＜１ｍｓ）にすることができる。さらに、上記調節可能な複数のフィルタは、光透過角度（light transmission angles）及び光偏光（light polarization）に対して感度が高く、むしろコストが高くなる。

【0010】

［ビームスプリッタ］
マルチスペクトル画像化に対する代わりのアプローチは、複数のセンサを用いることである。各センサの前には、対応する発光フィルタを配設する。上記光は、単一の対物レンズを通過することにより又は各センサに上記光を供給するために光学的なビームスプリッタ配置を用いることにより、各センサに到達する。又は、各センサは、分離した対物レンズを有していてもよい。いずれの場合も、各センサは、励起波長（excitation wavelengths）をブロックすることができ且つ１つの蛍光色素分子から上記放出を記録することができる、フィルタとペアになっている［Lucia M.A. Crane et al., et al. J Vis Exp. 2010; (44): 2225］。追加的なセンサは、異なるイメージングパス（imaging path）の上記反射像（reflection image）を記録することができる。このコンセプトはシンプルであるが、複数のセンサ、複数のビームスプリッタ、及び複数の対物レンズを用いるので、デザインのサイズ及び複雑性並びにコストが増大する。

【0011】

［照明の高速切替］
マルチスペクトル画像化のための他の解決方法は、異なる複数の励起光の間の切替を用いる。そこでは、上記物質は、複数のフィルタによって１つ又は複数のカメラに入ることをブロックされる特定の励起スペクトルを有する複数の励起ビームで交互に照らされる。米国特許出願公開第20130286176号明細書において、単一カラーセンサ、蛍光を励起するためのレーザ励起、及び、オンオフで切り替わるブロードバンド照明光源（broadband illumination source）が用いられる。上記レーザ励起光源がオンのときだけ、上記センサは、上記放出された蛍光を捕らえることができ、上記ブロードバンド照明がオンのとき、上記センサは、上記反射像（reflected image）を捕らえることができる。このシステムは、反射率画像（reflectance image）及び蛍光画像を生成するが、観測者は、異なる複数の光源のオンオフ切替に起因した邪魔なちらつきを視覚的に体験する可能性がある。

【0012】

［複数のマルチバンドパス画像のブロック］
また、他のアプローチは、モノクロのセンサと組み合わせて、複数のマルチバンドパス領域を持つ複数のフィルタを用いる。このアプローチでは、モノクロセンサの前のフィルタは、上記複数の励起波長が上記モノクロセンサに入ることをブロックする。異なる複数の蛍光色素分子は、励起スキャンによって個別に画像化される。代わりに、フィルタ処理した多成分蛍光の光（multi-component fluorescent light）は、波長に依存した複数のパスへ分配されてもよい。上記複数のパスは、モノクロセンサの異なる空間領域に結像される。このアプローチでは、モノクロセンサで一度に複数のチャネルを記録することができる。

【0013】

代わりのアプローチでは、マルチチャネルの（且つこのためカラーの）センサによって上記多成分蛍光の光を記録するために、カラーセンサを用いることができる。上記マルチチャネルセンサの出力は、個別の複数の蛍光成分を得るために、処理されてもよい。

【0014】

追加的なセンサが、上記反射された励起光を、上記センサに上記光を結像する個別の光学的パスへ分配することによって、上記反射率画像を記録するために、用いられてもよい。このことは、上記反射率と共に複数の蛍光結像バンド（multiple fluorescence imaging bands）を提供するが、観測者は、間違った色の提示に視覚的に気づく可能性がある。上記特定の励起波長にもよるが、間違った提示は、デジタル的にでさえ訂正することができない可能性がある。

【0015】

上記反射率及び上記蛍光を複数の追加的なカラーセンサ上に分配して、スペクトルチャネルの数を増加させることも可能である。各チャネルは、上記センサの前に狭いバンドパスフィルタを有しており、各個別の狭いフィルタバンドにおける強度が算出される［米国特許出願公開第20120085932号明細書］。

【0016】

用いられるフィルタのセットは、上記特殊利用で用いられる励起フィルタ及び発光フィルタの正確な組み合わせに従った、「Pinkel」、「Sedat」、又は「Full-multiband」として知られている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

本発明は、上記従来技術の問題を防止すると共に、シンプルで、素早く、且つ、コスト面で効果的な、マルチスペクトルイメージングの方法及び手段を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0018】

この問題は、請求項１５の内視鏡又は外科用顕微鏡及び請求項１６のそれらの使用だけでなく、請求項１の方法及び請求項９の装置によって解決される。有利な改良が各従属請求項によって提供される。

【0019】

本発明によれば、物質の蛍光画像及び反射率画像を取得するための方法が提供される。この進歩的な方法において、物質は、２つの異なる光で交互に照らされる。これら少なくとも２つの異なる光は、上記物質に対して交互に向けられる、少なくとも第１光及び第２光を有している。上記第１光は、高強度のいくつかのスペクトル範囲及び低強度の少なくとも１つのスペクトル範囲を有しており、この低強度のスペクトル範囲は、高強度のスペクトル範囲よりも波長が長い。そして、上記第２光は、高強度の少なくとも１つのスペクトル範囲を有している。

【0020】

これらの２つの光で上記物質を交互に照らしている間、共通センサ配列（common sensor array）が画像を記録する。上記第１光及び上記第２光で上記物質を照らしている間、上記照らされた物質の別々の複数の画像が記録される。さらに、上記記録された光、つまり、上記複数のスペクトル範囲のうちの少なくとも１つ範囲でありここでは上記第１光が高強度を有している範囲において上記物質によって放出され且つ上記共通センサ配列に向けられた光は、弱められる。

【0021】

上記第１光及び上記第２光で上記物質を交互に照らすことにより、上記第１光で照らしている間に上記物質の蛍光画像を記録することができ、第２光で照らしている間に上記物質の反射率画像を記録することができる。

【0022】

第１の有利な改良においては、上記蛍光画像及び上記反射率画像を記録するために共通である上記センサ配置は、マルチチャネル配列（multichannel array）、好ましくは、カラーセンサ配列（color sensor array）である。そのようなマルチチャネル配列は、チャネル画像空間、例えば、カラーセンサのカラー画像空間において上記複数の画像を記録する。これらの画像データは、成分画像空間（component image space）の値に変換される。この成分画像空間では、好ましくは、複数の成分空間が、複数の蛍光色素、複数の吸収体、これらから導き出される値、又は、ノイズの、上記空間的な複数の分布に対応する。このように、本発明においては、第１画像群は、チャネル画像空間において、例えば、上記カラー画像空間において、記録され、１つの画像に変換される。この１つの画像は、例えば、特定の複数の蛍光色素、複数の吸収体等の、横分布（lateral distribution）を表示する。

【0023】

上記の通り、上記第１光及び／又は上記第２光は、高強度の複数のスペクトル領域及び低強度の複数のスペクトル領域を有していてもよい。上記の複数の蛍光画像及び複数の反射率画像を記録するためには、最も波長の短い高強度の領域とこれに隣接するより波長の長い低強度の領域との間の光強度割合は、少なくとも１×１０^２、好ましくは１×１０^６以上であると、有利である。

【0024】

さらに、上記の通り、上記センサ配列によって記録された光は、上記第１光が高強度を持っている少なくとも１つの上記スペクトル領域において、弱められる。上記弱められないスペクトル領域及び上記弱められるスペクトル領域の強度間の減衰割合（attenuation ratio）は、少なくとも１×１０^２、好ましくは、少なくとも１×１０^３、さらに好ましくは少なくとも１×１０^６である。代わりの実施形態では、上記複数のスペクトル領域のうちの上記第１光が高強度を有している少なくとも１つにおいて上記センサ配列によって記録された光の減衰量は、好ましくは、減衰されないスペクトル領域群において記録された光の強度が上記減衰された第２のスペクトル領域群の全体において記録された光の強度よりも高くなるように、されている。

【0025】

特に、上記センサ配列によって記録された光は、マルチバンドパスフィルタによってフィルタリングされてもよい。

【0026】

本発明の好ましい配置（arrangement）において、上記第１光及び／又は上記第２光は、ブロードバンドライトから生成される。このブロードバンドライトは、上記第１光及び上記第２光を生成するために、個別の複数のマルチバンドパスフィルタによってフィルタリングされる。これを実現するために、上記第１光及び上記第２光のための上記複数のマルチバンドパスフィルタは、上記第１光の高光強度の領域群が第２光の高光強度の領域群と交互に生じるように、優遇フィルタ領域群（complimentary filter regions）を有していてもよい。

【0027】

上記第１光及び上記第２光に関する類似の光分配は、上記第１光及び上記第２光のための複数のナローバンド光源（narrowband light sources）を用いることによっても達成されうる。ここでは、上記第１光のために用いられる光源の放出ピーク群及び上記第２光のために用いられる光源の放出ピーク群は、スペクトル波長軸に沿って、交互に生じている。

【0028】

また、上記第１光及び上記第２光を生成するための上記複数のコンセプトを組み合わせることも可能である。

【0029】

そのような配置によって、上記共通センサ配列の前の上記複数のマルチバンドパスフィルタによって送出された同一のスペクトル領域群において、蛍光画像群と反射率画像群とを交互に記録することができる。好ましいシナリオにおいては、上記共通センサ配列の前の上記複数のマルチバンドパスフィルタによる記録から除外されている上記波長領域群は、上記記録された複数のスペクトル部分がカラー画像を再構成するために用いられるので、上記反射率画像の視覚化について重要でない可能性がある。

【0030】

多数の成分（つまり、蛍光色素分子）が画像化されるので、個別の複数の画像は、多数の個別の第１光群を用いることによって、記録されうる。混ぜられていない複数の成分（複数の蛍光素子）の数は、主に、複数のカラーチャネルの数に依存する。例えば、ＲＧＢセンサを用いることにより、３つまでの蛍光素子が混ざらないようにすることができる。例えば、同じＲＧＢセンサで１つの追加的な第１光を用いることによって、６つまでの蛍光素子が混ざらないようにすることができる。上記第１光群は、好ましくは、上記蛍光色素分子の励起スペクトル（excitation spectrum）に適用されるのに対して、上記記録された光は、興味のある全ての蛍光色素分子の放出スペクトル（emission spectrum）に応じて、選択される必要がある。蛍光画像群を測定することに関して、画像記録の間、蛍光でない光を減らすために、上記画像装置の周辺環境を暗くしたままにする必要がある可能性がある。しかしながら、特に医療的な応用においては、手術者が周囲を見ることができるように、追加的な周囲の光を提供する必要があるかもしれない。この目的のために、少なくとも１つの第１光及び少なくとも１つの第２光で上記物質を交互に照らし、さらに別の期間において別の光のパルス群で上記物質を照らすことが提案されている。ここで、上記別の光のパルス継続時間は、上記少なくとも１つの第１光及び上記少なくとも１つの第２光で上記物質を照らすために用いられる上記照明期間群に比べて短い。また、上記別の光は、上記少なくとも１つの第１光又は上記第２光が適用されている間に適用されてもよいが、上記別の光が照射されている間では、上記第１画像及び上記第２画像の記録は停止される。好ましくは、上記別の光の光パルス群は、上記第１光及び上記第２光の継続期間に比べて、相応に短い。

【0031】

上記別の光は、上記進歩的なイメージング装置の周辺で仕事をしている人に、この周辺を観察するために十分な光を提供するために、十分に強くてもよい。上記別の光の複数部分の周波数が十分に高い場合、上記周辺で働く人は、連続視覚効果が提供されうる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】進歩的な実施例を示す図である。

【図2】進歩的な実施例を示す図である。

【図3】進歩的な実施例を示す図である。

【図4】進歩的な実施例を示す図である。

【図5】進歩的な実施例を示す図である。

【図6】進歩的な実施例を示す図である。

【図7】進歩的な実施例を示す図である。

【図8】進歩的な実施例を示す図である。

【図9】進歩的な実施例を示す図である。

【図10】進歩的な実施例を示す図である。

【図11】進歩的な実施例を示す図である。

【図12】進歩的な実施例を示す図である。

【図13】進歩的な実施例を示す図である。

【図14】進歩的な実施例を示す図である。

【図15】進歩的な実施例を示す図である。

【図16】進歩的な実施例を示す図である。

【図17】進歩的な実施例を示す図である。

【図18】進歩的な実施例を示す図である。

【図19】進歩的な実施例を示す図である。

【図20】進歩的な実施例を示す図である。

【図21】進歩的な実施例を示す図である。

【図22】進歩的な実施例を示す図である。

【図23】進歩的な実施例を示す図である。

【図24】進歩的な実施例を示す図である。

【図25】進歩的な実施例を示す図である。

【図26】進歩的な実施例を示す図である。

【図27】進歩的な実施例を示す図である。

【図28】進歩的な実施例を示す図である。

【図29】進歩的な実施例を示す図である。

【図30】進歩的な実施例を示す図である。

【図31】進歩的な実施例を示す図である。

【図32】進歩的な実施例を示す図である。

【図33】進歩的な実施例を示す図である。

【図34】進歩的な実施例を示す図である。

【図35】進歩的な実施例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下において、本発明の異なる複数の実施例が、提示されている。そこでは、類似又は同一の要素には、類似又は同一の参照番号が用いられている。以下の複数の実施例において、本発明の本質的又はオプションの特徴の組み合わせは、組み合わせて記述されうる。しかしながら、そのような組み合わせで記述されたオプションの各特徴は、本複数の請求項において記述されているように、個別に単独で本発明を改良するために、用いられてもよい。

【0034】

その複数の実施例は、進歩的な複数の実施例の態様をすべて示す、図１から３５の組み合わせで示される。

【0035】

＜実施例１＞
図１は、本発明の大まかなコンセプトを示す図である。上記進歩的なシステムは、図示されたシステム１００を有する。システム１００は、物質４００を照らすために、スペクトル及び時間の多重化特性を有する光を生成して案内する。物質４００から生じる光は、イメージングシステム２００によって、収集され、検出され、又は、画像化される。イメージングシステム２００は、レンズ群、フィルタ群、及び、光センサ／ディテクタ配列（例えばカメラ）等のような要素群を有している。上記照明システム１００及び上記検出システム２００の両方は、制御処理ユニット（３００）に接続されている。制御処理ユニット３００は、照明システム１００の働きを制御し、その働きを同期させ、検出システム２００から上記複数の画像を取り込む。そして、制御処理ユニット３００は、さらに評価、表示、及び記憶するために、その画像を処理する。最後に、表示／視覚化システム５００は、上記分解された複数の画像を、個別に、又は、同時に／重ねて、表示する。

【0036】

照明システム１００は、図２に示すように、２つ（又は２つ以上）の順番に入れ代わるフェーズで動作する。図２Ａは、異なるフェーズ群の時間経過を示す。図２Ｂは、上記第１光のスペクトルを示す。図２Ｃは、上記第２光のスペクトルを示す。図２Ｄは、検出対象の光の透過（transmission）を示している。フェーズ１では、照明システム１００は、図２Ｂに示すような高強度及び低強度の領域群を有するスペクトル形状を示している光で、上記物質４００を照らす。種々のスペクトル形状が可能であるが、上記光が上記高強度の領域群よりも長波長の位置にかなり低強度である複数のスペクトル領域を有していることが重要である。これらの複数の領域では、上記第１光での励起時に物質４００によって放出された蛍光の光を、反射光をそれほど検出することなく、イメージングシステム２００によって検出することができる。フェーズ２では、図２Ｃに示すように、物質４００は、ブロードバンドライトで照らされる。

【0037】

イメージングシステム２００は、１つのイメージングチャネル／パスを有している。上記イメージングチャネルは、上記異なるフェーズで、蛍光画像及び反射率画像を検出及び記録するためにセットアップされた、イメージセンサ配列（image sensor array）を有している。上記イメージセンサに到達する上記光は、スペクトル的に弱められるため、概して、フェーズ１の照明光は、図２Ｄにおいて上記減衰器の透過スペクトルによって示されているように、上記イメージセンサに到達する前に、弱められる。

【0038】

物質４００に対する上記照明を順番に入れ代えることにより、同じ複数のスペクトル領域で同じセンサによって、互いに補う反射率画像及び蛍光画像を交互に記録することができる。照明のフェーズ１では、物質４００から反射された光の上記複数のスペクトルバンドは、弱められ、本質的には、蛍光発光だけが、透過されて、蛍光画像を形成する上記センサ配列によって検出される。これに対して、フェーズ２では、物質４００から反射された光は、部分的に透過され、反射率画像を形成するセンサによって記録される。

【0039】

上記光が上記センサに到達する前に弱められる上記複数のスペクトル領域における減衰量は、おおよそ見積もることができる。このため、好ましくは上記センサが蛍光を検出するために用いられる場合、検出された蛍光信号は、好ましくは、上記励起光の漏れよりも大きくするべきである。

【0040】

＜実施例２＞
図３には、より好ましい実施形態の１つが示されている。ここでは、２つのブロードバンド白色光源（１１１，１２１）が用いられ、これらは、交互にオンオフを切り替えることができる。１つは、マルチバンドパスフィルタ１２２によってフィルタリングされる。２つの光源１１１，１２１から発せられた２つのビームは、マルチバンドパスポリクロイックミラー（multiple bandpass polychroic mirror）１０１によって、混ぜ合わされる。これらの要素間には、画像化されるべきエリアへより多くの光を導くために、複数のコリメータレンズがオプションとして配設されてもよい。物質４００から放出された光は、検出システム２００において対物レンズ２０１（又は、対物レンズとして機能するレンズ群のシステム）で、収集される。直視下手術で用いられる対物レンズ２０１（又は、対物レンズとして機能するレンズ群のシステム）は、好ましくは、２００ｍｍのフォーカス距離を有している。上記フィルタ１２２を補完するマルチバンドパスフィルタ２１３は、上記ビームを減衰させる。そして、減衰された光は、マルチチャネル又はマルチカラーのセンサ配列２１１によって画像化される。上記の処理／制御ユニット３００は、複数の画像５０１，…，５０７…を生成するために、フレーム取り込み部（frame grabber）３０１、制御ユニット３０２、及び処理ユニット３０３を有している。オプションの複数のレンズ２１２，２１４は、上記センサへ上記画像を中継するために、上記種々の要素間において用いることができる。上記のマルチバンドパスフィルタ２１３は、好ましくは、光学的無限遠補正画像空間（optically infinity corrected imaging space）に配置される。

【0041】

上記複数のマルチバンドパスフィルタ及び上記ポリクロイックフィルタは、「Sedat」、「Pinkel」又は「full multiband」のセットとして蛍光顕微鏡検査において用いられる、通常、励起フィルタ／発光（emission）フィルタ／ミラーフィルタの複数のセットとして、製造される。図４には、４つの蛍光色素を画像化するために構成された４バンドフィルタセットの透過スペクトルの一例が示されている。上記「励起フィルタ」は、位置１２２で用いられ、上記「ポリクロイックフィルタ」は、位置１０１で用いられ、上記「発光フィルタ」は、位置２１３で用いられる。種々の蛍光の応用のために、フィルタ群の種々の組み合わせ及び種々のフィルタセットを用いることができる。通常、クロストーク（図を参照）を防止するために、複数のフィルタ透過バンドの間には小さなギャップが存在する。そのバンドの幅は、現実的条件の環境で実行するための上記フィルタセットの要求と結びついた入射角の下で働く上記フィルタの特性に依存する。

【0042】

上記２つの照明モードのためにそのようなフィルタセットを用いることは、フェーズ１において、上記セットの上記励起フィルタは、光源１１１からの白色光をフィルタリングするために用いられ、上記ポリクロイックフィルタは、光源１１１，１２１からのビームを混ぜ合わせるために要素１０１として用いられ、上記発光フィルタは、光源１１１からの励起光をブロックするために、１２２でフィルタ２１３として用いられることを意味している。実際の問題として、組織における蛍光色素のノーマルな濃度（１Ｍ＝１ｍｏｌ／ｌｉｔｅｒとして、通常、１００×１０^−９Ｍと１×１０^−３Ｍの間）を仮定すると、６次の大きさの光学濃度（Ｏ．Ｄ．：optical density）の干渉マルチバンドフィルタ群（interference multiple bandpass filters）の拒絶バンド群（rejection bands）における通常の減衰割合は、十分であるが、多くのケースにおいて、２Ｏ．Ｄ．又は３Ｏ．Ｄ．の減衰で十分となりうる。

【0043】

フェーズ１において、物質４００は、光源１１１からのスペクトル的に成形された光で照らされる。この光は、少なくとも部分的に反射され、透過され、物質４００によって吸収されて蛍光を励起する。フェーズ１において物質４００によって反射された励起光は、センサ２１１の前の発光フィルタ２１３によって減衰される。これにより、センサ２１１は、蛍光発光だけを記録することができる。フェーズ２において、物質４００は、光源１２１からのブロードバンドライトで照らされる。このブロードバンドライトは、反射光及び蛍光を放出する物質４００によって、部分的に反射される。フィルタ２１３は、上記反射光及び蛍光発光のいくつかのバンドのみを透過する。蛍光の光強度は、通常、反射光よりも数オーダー低いので、実際上、反射率画像だけが記録されると見なすことができる。まとめると、フィルタ２１３が十分な透過性を示す上記複数のスペクトル領域において、センサ２１１が、フェーズ１では物質４００の蛍光を記録し、フェーズ２では物質４００の反射率画像を記録する。通常、蛍光画像は、反射率画像よりもかなり強度が低い。異なるダイナミックレンジに応じるために、蛍光画像にはより長い露光時間が用いられる。図５には、そのような複数のフェーズ及び複数の画像のシーケンスが示されている。ここで、図５Ａは、照明フェーズ１及び照明フェーズ２の時間的なシーケンスを示しており、フェーズ１はフェーズ２よりも長い。図５Ｂは、検出フェーズ１及び検出フェーズ２の時間的なシーケンスを示しており、発光画像を検出するためのフェーズ１は、反射率画像を検出するためのフェーズ２よりも長い。

【0044】

物質４００に対する照明及び上記センサの露光に関する制御は、処理制御ユニット３００における信号によって行われる。２つのブロードバンド光源１１１，１２１は、白熱灯、（水銀、キセノン、又は混合物のような）ガスランプ、発光ダイオード（LEDs）、又は、多のブロードバンド光源であってもよい。ＬＥＤ光源は、１００ミリ秒より速い立ち上がり時間及び立ち下がり時間を持っており、高周波数レートでオンオフを切り替えることができる。そのようなシステムは、ビデオレート、つまり、おおよそ２５ｆｐｓ（frames per second）でフェーズを切り替えて、物質４００を照明することができる。このレート及びより高い照明レートで、照明フィールドの視覚感知は均一となり、ここでは、ちらつき効果がほとんど観測されない。

【0045】

センサ２１１は、好ましくは、マルチチャネルで画像を記録することができるマルチチャネル（マルチカラー）センサである。各スペクトルエリアは、異なるスペクトル感度を有しており、物質４００における種々の反射物質及び蛍光物質の光学的に多重された上記反射光を記録することができる。マルチチャネルカラーセンサ配列の例としては、ＲＧＢ（red-green-blue）パターンセンサ又はＣＭＹＧ（cyan-magenta-yellow-green）パターンセンサである。図６には、異なるタイプのカラーセンサのカラー感度が示されている。図６Ａには、ＲＧＢセンサのレッド、グリーン、及びブルーのセンサ要素の感度が示されている。図６Ｂには、ＣＭＹＧセンサのシアン、マゼンタ、イエロー、及びグリーンのセンサ要素の感度が示されている。このように、これらのセンサによって記録されるデータは、個別の色空間（color space）、つまり、個別の色、例えばＲＧＢ又はＣＭＹＧによる空間におけるデータである。

【0046】

図７は、フルオレセインイソチオシアネート（図７Ａ）、ＡＴＴＯ６４７（図７Ｂ）、及びインドシアニングリーン−ＩＣＧ（図７Ｃ）のような、典型的な蛍光発光スペクトルの典型的な蛍光色素分子の、励起スペクトル及び蛍光発光スペクトルを示している。

【0047】

そして、記録された上記複数の画像は、実演（demonstrating）、記憶、ノイズフィルタリング、バックグランドダークノイズ減算（background dark noise subtraction）、複数のカラーフレームに対する色補正、及び、スペクトル分離（spectral unmixing）のような、一連の画像処理操作のために、センサ２１１から処理ユニット３００へ転送される。特に、最もシンプルな形の上記スペクトル分離は、上記カメラで生成された上記複数のカラーチャネル画像と上記成分空間との間の線形変換（linear transformation）でありうる。複数の成分は、上記光が情報を引き出せるいかなるものであってもよく、例えば、材料、濃度若しくは性質、又はそれらの成分から導き出せる量のようなものである。それら複数の成分は、物質４００の要素４０１，４０２…に対応する特別な空間分布を有している。上記複数の成分４０１，４０２等の空間分布の複数の画像５０１，…、５０７を算出した後に、それらの画像は、疑似カラーのようなカラーマップを使って、記憶され、表示され、又は、他の画像と重ねられてもよい。

【0048】

これに限定されるものではないが、スペクトル分離後の画像のいくつかの例を以下に示す。
ａ）吸収分布（Absorber distribution）：上記反射光のスペクトルは、物質４００の組織における上記吸収スペクトル及び上記透過スペクトルによって形成され、これは、上記カラーセンサ信号に記録される。組織吸収のシステム及び組織モデリング、及び／又は、既知の濃度の吸収体についてのシステムキャリブレーションによって、含酸素ヘモグロビン、非酸素ヘモグロビン、メラニン等のような固有の組織の吸収体の濃度、又は、例えばメチレンブルーのような外部から投与された吸収造影剤の濃度を導き出すことができる。
ｂ）酸素飽和度（Oxygen saturation）：含酸素ヘモグロビンの分布及び非酸素ヘモグロビンの分布のマップから、酸素飽和度マップ、及び、関連する生理的パラメータ又は病理学パラメータを算出することができる。
ｃ）蛍光色素分布（Fluorochrome distribution）：蛍光は、内生の蛍光色素によって、又は、外部から投与された蛍光造影剤によって、生じる。上記蛍光信号は、上記カラーセンサによって記録され、システム及び組織モデリング、及び／又は、システムキャリブレーションによって、上記蛍光分布を導き出すことができる。さらに、複数の蛍光マップ間の割合を算出することができ、これは、癌についてのより詳しい情報を与える。以下では、上記複数の蛍光成分を算出するための画像処理の基本を記述する。反射率吸収分布（reflectance absorption distribution）のような値及び微分値（derivative values）が同様にモデル化され算出される。

【0049】

本発明においては、上記カメラは、異なる複数のカラーチャネルの信号強度を計測する。この信号は、全ての成分の総和の光強度によって生成される。これら全ての成分は、上記複数の透過フィルタによって、追加的には、センサ２１１の空間感度（spectral sensitivity）と結びつくセンサ２１１のＲＧＢカラーフィルタによって、スペクトル的にフィルタリングされる。上記検出器の応答が線形であると仮定すると、上記生成される信号は、次の式で表される。

【数1】

ここで、Ｓ_ｃは、結びつく全てのカラーセンサ画像のうちの特定のスペクトルカラーｃの上記信号である。例えば、{カラー}＝{Ｒ，Ｇ，Ｂ}である。また、Ｉ_λ（λ，ｆ）は、スペクトル蛍光チャネル強度密度（spectral fluorescence channel intensity density）である。これは、上記波長及び蛍光チャネルに依存する。各蛍光チャネルは、特定のスペクトル光特性（spectral light characteristic）によって特徴づけられる。最もシンプルなケースでは、上記イメージングシステムの蛍光チャネルの上記スペクトル光特性は、蛍光色素分子に対応する。この場合、Ｉ_λ（λ，ｆ）は、上記蛍光色素分子の上記スペクトルの放出スペクトルに対応する。この場合、Ｉ_λ（λ，ｆ）の正確な値は、上記蛍光色素分子の濃度、上記蛍光量子収率（fluorophores quantum yield）、及び、上記スペクトル照明光強度（spectral illumination light intensity）を考慮することにより、決定することができる。Ｔ（λ，ｃ）は、上記特定の空間カラーセンサ又はピクセルの上記トータルの透過特性であり、またこれは、上記発光フィルタに含まれる上記光学的システムの放出特性を示している。上記蛍光発光スペクトルプロファイル及び強度が組織の固有吸収によって殆ど影響を受けないため上記蛍光活性（fluorescence activity）が組織表面近傍に位置しており、且つ、消光のような他の非線形効果が無視できると仮定すると、上記スペクトル蛍光強度Ｉ_λ（λ，ｆ）は、Ｉ_λ（λ，ｆ）＝ｃ（ｆ）×Φ_λ（λ，ｆ）のように表すことができる。すなわち、上記式は、次のように表すことができる。

【数2】

ここで、ｃ（ｆ）は、蛍光色素分子ｆの濃度である。この場合、蛍光チャネルｆは、反射率イメージングのために用いられ、ｃ（ｆ）は、上記強度ファクタである。濃度のためのシンボルｃは、上記カラーチャネルインデックスと同じである。Φ_λ（λ，ｆ）は、上記モルのスペクトル蛍光強度密度であり、蛍光色素分子ｆの放出の上記スペクトルプロファイルを表している。上記強度は、蛍光色素分子の濃度ｃ（ｆ）によって計られる。この場合、ｆは、反射率チャネルであり、Φ_λ（λ，ｆ）は、スペクトル分布を持つチャネルの上記正規化されたスペクトル反射率強度である。一例として、Φ_λ（λ，ｆ）は、目の赤受容体（red receptor）のスペクトル応答でありうる。このことは、この赤チャネルについての自然な色彩印象（color impression）につながる。上記式を再整理すると、次のような式になる。

【数3】

この式は、次の式のように、蛍光色素分子濃度とセンサの計測チャネル強度との間の線形関係につながる。

【数4】

この線形関係によって、全ての蛍光及び反射率のチャネル強度ｃ（ｆ）を算出することができる。ここでは、赤、緑、及び青のチャネル群を持つセンサと色素蛍光標識（ＦＩＴＣ）、ＡＴＴＯ６４７、及びインドシアニングリーン（ＩＣＧ）についての行列Ｍの算出例を示している。図７には、上記蛍光色素分子の励起スペクトル及び発光スペクトル（emission spectra）が示されている。それらの複数の信号式は、次の通りである。

【数5】

【数6】

【数7】

【数8】

ＦＩＴＣ及び赤検出チャネルの組み合わせについて係数Ｍを例示的に書き表すと、次の式のようになる。

【数9】

上記複数の蛍光強度は、次の式のように、上記係数行列Ｍを反転することにより得られる。

【数10】

【0050】

好ましい実施形態において、上記検出カラーチャネルの数が分解対象の上記蛍光チャネルの数と等しい場合、上記方程式系（equation system）は、複数の方程式の線形系として解決されうる。変数Ｓ_ｃは、上記イメージングシステムによって計測される。ｃ（ｆ）の複数の値は、上記システムの他のパラメータ（Φ_λ（λ，ｆ）及びＴ（λ，ｃ））が既知である場合、算出可能である。これら複数のファクタ及び上記行列Ｍ（ｆ，ｃ）は、キャリブレーションプロセスにおいて前もって、決定することができる。ｃ（ｆ）を算出するために、上記行列Ｍ（ｆ，ｃ）は反転される必要がある。計測されたチャネルの数が蛍光チャネルの数よりも多い場合、上記システムは、過剰決定（over-determined）となる。この好ましい状況に対処する１つのオプションは、Ｍ（ｆ，ｃ）の疑似逆行列（pseudo-inverse）を計算することであり、疑似逆行列は正方行列（square matrix）ではない。上記算出結果を改善するために、例えば、上記センサ群における計測から生じるノイズを最小化するために、種々のアルゴリズムが用いられてもよい。

【0051】

上記行列Ｍは、システムモデリング及び／又はシステムキャリブレーションによって算出されてもよい。システムモデリングでは、上記光パスのスペクトル成分は、上記光源から上記カラーセンサ配列ピクセル群まで、モデル化されてもよい。パラメータ群は、照明源スペクトル分布、上記励起フィルタ群のスペクトル透過、又は、上記照明光のスペクトルプロファイルに限定されるものではなく、上記蛍光励起スペクトル及び蛍光放出スペクトル及び上記蛍光量子収率、組織における上記複数の成分のおおよその深さ、組織の光学的特性、イメージングシステム（レンズ群、ビームスプリッタ群、フィルタ群、ミラー群等）の透過特性、及び／又は、上記センサ配列のスペクトル感度を含む。上記モデリングは、上記濃度情報を上記記録された信号と結びつける上記行列Ｍを算出する（順問題（forward problem））。上記成分分布は、上記逆問題（inverse problem）の上記解から導き出すことができる。代わりに、システムキャリブレーションは、組成、濃度、及び位置が既知の複数の成分の信号群を記録して未知の行列Ｍを解くことで、又は、主成分分解（ＰＣＡ：Principle Component Analysis）、独立成分分解（ＩＣＡ：Independent Component Analysis）又は類似の統計アルゴリズムのような、分離アルゴリズムを持つブラインド分解（blind decomposition）によって、行われてもよい。最後に、モデリング又は概して先の情報の使用は、計測されたチャネルの数よりも多くの未知のパラメータを決定するために、用いられうる。

【0052】

代わりに、上記の線形モデリングに対して、上記システムは、非線形記述（non-linear description）を用いて、より詳細にモデル化されうる。この方法では、上記検出器又は高蛍光色素密度の消光効果のような、非線形のポテンシャルを考慮することができる。最後に、劣決定系であっても、モデリング及び／又は先の情報を用いて、利用可能なチャネルの数よりも多くの成分群から上記情報をリカバーする行列を算出することができる。

【0053】

［スペクトルバンド群の数］
最後に、前述のように、分離された成分群の数は、センサで利用可能なチャネル群（例えば、複数の色）の数、又は、結びついた画像群（combined images,）の場合には上記結びついた画像群のカラーチャネルの数に関連する。しかしながら、上記照明及び／又は上記透過におけるスペクトルバンド群の数は、上記チャネル群（複数の色）の数及び分離された成分群の数に依存しない。概して、対象の領域において利用可能なバンドが多くなるほど、特定成分のスペクトル特性が記録されない可能性は低くなる。このため、多くの「狭」スペクトルバンド群は、上記反射率画像のより正確な色表現、及び、種々の成分群のより正確な分離を提供する。けれども、種々の成分群のスペクトル分離は、上記チャネル群の数よりも少ないスペクトルバンド群の数で、実行可能である。

【0054】

マルチバンドパスフィルタ群のスペクトルバンド群の数が、分離対象の蛍光色素分子の数についての関連する数学的条件ではない、ことを強調することが、重要である。代わりに、カメラチャネルの数は、数学的に重要な条件である。

【0055】

＜実施例３＞
以下では、本発明に好適な基本的な光源及びその代替手段について記述する。

【0056】

上記の内容及び図８に示されるように、最も基本的な光源１００は、２つの独立した光源１１１，１２１を有しており、これらは、好ましくは、ハロゲンランプ又はキセノンランプのような従来の光源に比べてより高速なスイッチングが可能な、ブロードバンドＬＥＤ１１１，１２１である。オプションとして、光束は、コリメータレンズ１１９，１２９によって平行にされる。光源１２１から発せられた光は、バンドパスフィルタ１２２によってフィルタリングされ、それから、ポリクロイックミラー１０１を用いて、光源１２１が発した光と混ぜ合わされる。

【0057】

図９Ａは、上記ブロードバンドＬＥＤのスペクトルを示している。このスペクトルは、光源１１１，１２１と同じであってもよいし異なっていてもよい。上記スペクトルは、白色光ＬＥＤについて典型的なものである。図９Ｂは、マルチバンド励起フィルタ１２２の透過スペクトルを示す。図９Ｃは、ＬＥＤ光源１２１から発せられ且つフィルタ１２２によってフィルタリングされた光の強度スペクトル（intensity spectrum）を示す。好ましい実施形態においては、最大スペクトルパワー強度での上記２つのブロードバンドハイパワーＬＥＤ光源の発光スペクトル（emission spectrum）は、３０ｍＷ／ｎｍより大きい。上記放射された光は、図９Ｂに示すように、マルチバンドパスフィルタによってフィルタリングされる。このフィルタは、複数の透過バンド（４２０−４６０ｎｍ、５１０．５−５３１．５ｎｍ，５９０−６２４ｎｍ，６７７．５−７２２．５ｎｍ）を有しており、各透過バンドでは、最大透過率がおおよそ９０％である。上記複数の減衰領域（blocking regions）における上記フィルタの減衰特性は、典型的には、少なくとも、光学濃度２（Ｏ．Ｄ．２）である。通常、フィルタのバンド拒絶／減衰特性（band rejection/attenuation characteristics）は、Ｏ．Ｄ．６程度である。

【0058】

図９Ｃには、上記個別のマルチバンドフィルタでフィルタリングされた後の上記光源の効果的な放射光が示されている。上記第１光（光源１２１）のスペクトルは、この照明フェーズの間に上記フィルタによって成形され、上記第２光（光源１１１）のスペクトルは、図９Ａに示したような又はこれに類似したブロードバンドのような、固有のブロードバンド発光プロファイルである。このため、全ての導き出された光のスペクトルは、個別のフェーズの期間で累算されたスペクトルである。

【0059】

この基本的な光線の１つの潜在的な不利な点は、強度及びスペクトル成分（spectral content）に関して観測者の視覚感知にとって上記照明フィールドが最適でない可能性があることである。上記２つの光は、異なる全体強度及びスペクトル成分を有しており、それらが交互に入れ代わる場合、強度又は色に視覚的なちらつきが生じる可能性がある。さらに、上記スペクトル成分はバランスがとれていなくて、上記顕色（color appearance）が自然でない可能性がある。

【0060】

代わりの照明源は、上記基本的な光源のバリエーションであり、図１０Ａに示すように、上記第２光もフィルタ１１２によってフィルタリングされる点が異なっている。上記第２光をフィルタリングする基本的に有利な点は、上記全体の色知覚（color perception）の最適化を容易にすること及び上記ちらつきを最小化することである。また、上記フィルタ１１２は、マルチバンドパスフィルタであってもよい。そのスペクトル透過特性は、上記フィルタ１２２のスペクトル透過特性を補うものであってもよいし、上記センサ配列２１１の前の上記蛍光発光フィルタ２１３のスペクトル透過特性と同じか又は類似していてもよい。図１０Ｂは、上記光源１２１によって発光されてフィルタ１２２によってフィルタリングされた後の、第１フェーズにおける上記第１励起光のスペクトルを示す。図１０Ｃは、上記光源１１１によって発光されてフィルタ１１２によってフィルタリングされた後の、第２フェーズにおける上記第２励起光のスペクトルを示す。相補のフィルタ１１２，１２２は、全体として、上記原型のブロードバンド光源によるブロードバンド照明と殆ど等しい、スペクトル的に連続した照明を提供するので、これにより、自然な色知覚を実現することができる。さらに、上記強度及び色のちらつき効果を低減することができる。それでもなお、上記第２光（フェーズ２）の照明のスペクトル形状は、最適な色知覚及び最小の強度ちらつきを達成するために、自由に変更されてもよい。

【0061】

さらに、上記光源１００の出力は、ファイバカップリングレンズシステムによる光ガイド（light guide）へ連結されてもよい。この光ガイドは、単一の光ファイバ、ファイババンドル、又は、液体ライトガイドであってもよい。

【0062】

図１１に示すように、照明システムの代わりの実装においては、上記マルチバンドフィルタ群でフィルタリングされる１つ又は複数の上記ブロードバンド光源が、個別に制御されるナローバンド光源１３３，１４３，１５３のセットに置き換えられている。ナローバンド光源１３３，１４３，１５３は、オプションとして、それぞれ、ナローバンドフィルタ１２５によってフィルタリングされる。そのような光源１３３−１５３は、レーザ装置、レーザダイオード、ＬＥＤ等であってもよい。図１１において、図１０Ａの上記発光モジュール１１１は、複数のレーザ光源１３３，１４３，１５３に置き換えられている。上記モジュール１２３から発せられた光は、フィルタ１２５によってフィルタリングされる。ポリクロイックミラー１０１，１０４，１０５，１０６は、レーザ装置１３３，１４３，１５３の放射光をレーザ装置１２３の放射光と混ぜ合わせる。全ての上記光は、一緒にファイバ１０３へ入力される。

【0063】

ビームスプリッタ１０１は、偏光ビームスプリッタ（polarization beam splitter）であってもよい。この場合、上記異なる光源１２３，１３３，１４３，１５３は、組み合わされて、上記レンズ群を最少化してもよい。複数のレーザ装置１３３，１４３，１５３は、１つのブロードバンド光源、例えば、図１０の光源１１１に取って代わってもよい。上記複数のレーザ装置１３３，１４３，１５３は、ナロースペクトル発光プロファイルを有していてもよく、及び／又は、調節可能であってもよい。いくつかのレーザ装置は、望んでいない増幅された自然放射を抑圧するためのクリーンアップフィルタを必要としてもよい。また、上記複数のレーザ装置は、波長及び強度において調節可能であってもよく、連続波レーザ装置（continuous wave lasers）又はパルスレーザ装置（pulsed lasers）であってもよい。上記異なる複数のレーザ光源は、ロングパスポリクロイックミラー１０４（カットオフ波長４１５ｎｍ）、ロングパスポリクロイックミラー１０５（カットオフ波長６５０ｎｍ）、ロングパスポリクロイックミラー１０６（７８５ｎｍ付近の高反射性を有するプレインミラー）と結びつけられてもよい。これら又は１つのフェーズで照射する類似の複数のナローバンド光源は、全時間で重なるか又は一部の時間で重なる状態で、いっせいに照射してもよいし、逐次的に照射してもよい。それでもなお、照明フェーズと関連する上記露光期間（exposure period）内の如何なる時間の組み合わせも、１つの照明フェーズにおいて累積する光スペクトル分布として見なされる。

【0064】

好ましいスペクトルのシナリオが図１２に示されている。ここでは、ブロードバンドＬＥＤ光源が全スペクトル領域をカバーし、複数のナローバンドレーザ光源と組み合わされている。複数のナローバンドレーザ光源は、（切替の理由から）好ましくは、レーザダイオードであってもよい。この場合、４０５ｎｍのレーザダイオードモジュール、６３３ｎｍのレーザダイオードモジュール、７８５ｎｍのレーザダイオードモジュールのような、一般的なモジュールが用いられる。４０５ｎｍのレーザダイオードモジュールは、広く脳手術のために用いられるプロトポルフィリンＩＸ（ＰＰＩＸ）を励起することができる。６３３ｎｍのレーザダイオードモジュールは、蛍光プローブにおいて用いられるAlexa647のような、高安定性で且つ明るい蛍光色素分子を励起させることができる。７８５ｎｍのレーザダイオードモジュールは、臨床的に関連する、インドシアニングリーン（ＩＣＧ）を励起することができる。

【0065】

＜実施例４＞
この実施例では、いくつかのＬＥＤ光源で照明光を生成するために、代わりの照明システムが用いられる。図１３に示すように、２つのブロードバンドＬＥＤ光源を用いる代わりに、このオプションでは、ナロースペクトル発光を有する、複数のＬＥＤ１２１，１３１，１４１，１５１…が用いられる。これは、より複雑な照明デバイスを必要とするが、一方で、出力パワーが劇的に増大し、異なるＬＥＤの強度について個別にバランスをとることができる。殆どのモノクロＬＥＤは、サイドスペクトルにテールを持つナロー発光を有している。このため、オプションとして、励起フィルタ１２２，１３２，１４２，１５２が、上記励起スペクトルを除去するために、用いられてもよい。レーザ光源と同様に、多くのナローバンド光源を有するＬＥＤ光源からの光は、１つの照明光として見なされてもよい。上記複数のＬＥＤは、全時間で又は一部の時間で重なった状態で、いっせいに照光してもよいし、又は、時間的に重なることなく逐次的に照光してもよい。それでもなお、照明フェーズと関連する上記露光期間（exposure period）内の如何なる時間の組み合わせも、１つの照明フェーズにおいて累積する光スペクトル分布として見なされる。

【0066】

図１３に示されるような照明サブシステムは、図１４に示されるようなマルチフェーズ照明システムにおいて組み合わされうる。そこでは、２つの光源１００ｃ，１００ｄが備えられ、それぞれが、サンプル４００を照らすために、ファイバ１０３ｃ，１０３ｄへそれぞれ光を放出する。

【0067】

図１５から図１８は、それぞれ、ＬＥＤ光源の発光スペクトル、上記発せられたビーム内に配置されるフィルタの透過スペクトル、及び、上記発せられた光の上記フィルタを通った後の強度スペクトルを示している。４つの光源は、１つのスペクトル的なブロードバンド光源に取って代わってもよい。

【0068】

この好ましい構成は、上記マルチバンドファイバ群の各バンドについて１つの励起ＬＥＤを有している。これは、４つのバンドパスフィルタについて、８つのＬＥＤを必要とすることになるかもしれない。このような構成のスペクトルが図１９に示されている。図１９は、左側に、上記第１光源を構成する４つのＬＥＤのスペクトル、対応するフィルタの透過スペクトル、及び、上記第１光の結果的な放出スペクトルを示している。右側には、上記第２光の対応するスペクトルが示されている。上記スペクトルにおいて、各ＬＥＤは、１つの光及び１つのフェーズと関連している。また、独立した４つのＬＥＤのセットは、各ＬＥＤの前に設けられた、４つの単一バンドパスフィルタ（single bandpass filters）を用いて、フィルタリングされる。また、上記個別のＬＥＤは、１つのフェーズと厳格に結びつけられていない。図２０は、３８０ｎｍ、４９０ｎｍ、５６５ｎｍ、及び６３５ｎｍで発光極大（emission maxima）となる、商業的に利用可能な４つのＬＥＤの実際の放出スペクトルを示している。図２１は、４つのバンドパスフィルタによってフィルタリングされた、上記４つのＬＥＤの結果的に得られる照明スペクトルプロファイルを示している。

【0069】

＜実施例５＞
図２２に示される他の実施例において、異なる複数の光源の時間的な切替は、可変の透明度を有する光学要素１６８，１６５を用いることにより、行われる。この最もシンプルなケースにおいて、これらの可変な透明度を有する光学要素１６８，１６５は、機械的なシャッタである。また、これらは、光変調器（light modulators）又は音響光学デバイス（acousto-optical devices.）であってもよい。光源１６１から発せられた上記ブロードバンドライトは、ポリクロイックミラー１６２によって分配され、相補の励起フィルタ１６４，１６７によってフィルタリングされ、要素１６２と同様のポリクロイックミラー１６９によって再び統合される。ミラー１６３，１６６は、上記システムにおいてフィルタ１６５でフィルタリングされた一部のビームを平行にして導くために用いられる。更なる改良のために、上記励起光は、上記システムにおいてロスを最小限にし且つフィルタのパフォーマンスを最適化するために、平行にされるべきである。

【0070】

＜実施例６＞
図２３に示される代わりの実施形態において、上記照明システムは、上記光学的システムを通して照光するように構成されている。光学的な光ガイドは、上記マルチスペクトル照明システム１００からの光を、コネクタポート２０４で上記イメージングデバイス２００へ届ける。上記照明パスは、物質４００に対する照光を最適化するために、光学レンズシステム２０３を含んでいてもよい。それから、上記光は、偏光フィルタ２０６によってフィルタリングされ、続いて、ビームスプリッタデバイス２０５を持つ上記イメージングパスへ結びつけられる。そのようなデバイスは、偏光ビームスプリッタキューブ２０５であってもよい。それから、上記光は、光が通過する時に偏光角度を回転させる、ローテイタブル半波長板（rotatable half wave plate）２０７を通過する。このことは、上記半波長板の位置に応じた反射光の反射を低減すること又は除去することを可能とする。最も簡単なアセンブリにおいては、半波長板２０７は、対物レンズ２０１の前に配設される。

【0071】

＜実施例７＞
以下では、種々の代わりの検出システムについて記述する。

【0072】

概要として、センサ２１１は、マルチチャネルカラーセンサである。このことは、上記センサが、複数の区別可能なスペクトル分布における上記光照射野（light field）を記録する、ことを意味する。このことは、次の種々のオプション：つまり、ａ）ベイヤＲＧＧＢマイクロフィルタパタン、又は、ＲＧ（ＩＲ）Ｂ、ＣＭＹＧのようなこのパタンを修正したものに従った複数のピクセルの前に複数のマイクロフィルタを持つ複数のセンサ、ｂ）各ピクセルが区別可能なスペクトル分布で光を記録する他のフィルタモザイクパタン、及び／又は、ｃ）他のビームスプリッティング、カラーフィルタリング、及びモノクロセンサへのイメージングを用いて、達成することができる。図２４には、これらのパタンのいくつかが示されている。

【0073】

概して、ＲＧＧＢパタンは、より多くの正確な色の再現を達成できる一方、ＣＭＹＧは、より感度が高い。フル解像度のカラー画像は、カメラハードウェア又は後のイメージプロセッシングにおいてデモザイクすることにより得られる。上記マイクロフィルタパタンは、概して、ＡＢＣＤＥＦＧＨＩ等のような、マルチカラー又はマルチスペクトルの透過プロファイルに拡張される。これの一例は、米国特許第6638668号明細書に開示されている、リトグラフのようにパタン化された２色性フィルタ配列（lithographically patterned dichroic filter array）である。

【0074】

代わりに、上記マルチチャネルカラーセンサは、図２５に示すようなFoveon X3センサ（米国特許第6632701号明細書を参照）又は類似の技術に基づいていてもよい。上記マイクロフィルタパタンと対比して、上記Foveonセンサは、ｘ方向及びｙ方向において空間的に配設され且つ複数のレイヤ（レイヤ１，レイヤ２…）が仮想的に積み重なった、フォトセンサ群を有している。各レイヤは、光を受けたレイヤについてのシリコン吸収（silicon absorption）及び異なる透過深度（transmission depths）のために、異なるスペクトルエリアを感知できる。これにより、各レイヤで生成された画像は、異なる色に対応する。このため、より高い空間分解能を実現することができる。

【0075】

図２６Ａに示される代わりの実施形態では、検出対象の光ビームは、ビームスプリッタ及び／又はミラー２５２，２５３，２５４，２５５を用いることより、３つの並列部分ビームに分けられ、フィルタ群又は２色性ミラー群（dichroic mirrors）でフィルタリングされる。さらに、図３に示したマルチチャネルセンサ２１１は、モノクロセンサ２５１に置き換えられている。各フィルタ又は各２色性ミラーは、図２６Ｂ，２６Ｃに示すように、３つの異なる色のうちの１つの光を透過する特定の透過スペクトルプロファイルを有している。このように、上記モノクロセンサにおいて、異なる複数の画像が、互いに横方向に距離を置いて形成される。各画像は、異なるスペクトルバンドを画像化している。

【0076】

さらに、マルチカラーチャネルは、米国特許第3659918号明細書に開示されているプリズム３−ＣＣＤ配列のような、複数の光スプリッティング及びフィルタ群によって実施される。この光スプリッティング実装又はこれに類似の実装において、各パスは、例えばＲＧＢのような特定の色のスペクトルを持つ光を運ぶために、フィルタリングされる。このアプローチは、複数の（３つ又はそれ以上の）イメージングパスを提供する類似のマルチビームスプリッタに拡張されうる。

【0077】

＜実施例８＞
ほとんどの蛍光の応用において、周囲の光は、避けられるか又はブロックされる必要がある。これは、その周囲の光の強度は、蛍光染料から発せられる蛍光ライトの強度よりも数オーダー大きいためである。周囲の光は、太陽光であり窓を介して物質に届くかもしれないし、ルームライトによって発せられた光かも知れない。技術システムの現在の状態では、蛍光チャネルにおいて周囲光からの強い信号を避けるために、周囲環境は暗い。代替手段として、発光フィルタをパスするような周囲光の特定の波長領域を、フィルタ群によってブロックしてもよい。残念ながら、そのようなフィルタ群は、通常とても高価であり、そのようなフィルタ群で大きな窓又はルームライトを覆うことはできないか、又は、それらはいかなるスペクトル構造にも使用不可能である。

【0078】

ここに提示される技術は、蛍光を検出する状況下で部屋の周囲照明を許容する、代わりのアイデアを表している。この改良は、観血手術の間の外科用蛍光イメージングにおいて、特に重要である。２つの異なるオプションが提示される。いずれのオプションも、周囲照明として、パルス光源を利用する。第１の方法／実施形態では、フレームの記録の期間において上記イメージングパスにおける全ての上記光がブロックされる（請求項では、「記録することを保留（停止）する」として参照される）。第２の方法／実施形態は、フレームとフレームの間における上記センサ配列のデッドタイムを、周囲光のために用いる。

【0079】

＜実施例８Ａ＞
室内照明の照光は、人間の目の最大周波数知覚と比べて高周波数で（例えば、２００Ｈｚで）、パルス化されている。上記パルス群の継続期間（デューティサイクル）は、典型的には、図２７に示すような蛍光イメージングのためにより長い露光時間を許容する全期間の小さな断片（例えば、その期間の５−２０％、典型的には、０．１−５ｍｓ）である。イメージング蛍光信号のための光パスは、上記周囲照明の光のパルスの期間では、ブロックされる。図２７は、上記イメージングシステムの複数のフェーズと、周囲照明を許容するシャッタデバイスのそれぞれのタイミングとを示している。

【0080】

図２８に示される実施形態において、部屋照明／周囲照明光源９０２が設けられ、その光は、上記励起光パスに結びつけられている。さらに、追加的なシャッタ９００が、上記イメージングパスに設けられている。この実施形態では、上記シャッタは、単純な理由のために、上記光学システム２００の上記対物レンズの前に配設されている。それでもなお、上記シャッタは上記パスの他の位置に配設されてもよい。代わりに、シャッタ装置９００が上記センサ配列の直前の上記イメージングパスに含められてもよい。シャッタ９００及び部屋照明９０２の両方とも制御／処理ユニット３００によって制御されている。

【0081】

シャッタ９００が閉じると、シャッタ９００は上記イメージング／検出パスに進入した全ての光をブロックする。それゆえ、光は、センサシステム２００の上記センサ配列に到達しない。光源９０２からの周囲照明の動作周波数は、上記蛍光イメージングシステムの動作周波数に適合される必要はない。好ましくは、上記イメージングシステムは、人間の目にとってゆっくりとした蛍光及び反射率の画像のストリームを生成するために、３０−６０Ｈｚで動作する。周囲照明９０２は、好ましくは、人間の目が部屋環境において如何なるちらつきにも気づかない程より高い周波数で動作する。

【0082】

好ましくは、周囲照明システム９０２の動作周波数は、画像の周波数を何倍かしたものになっている。この場合、連続的に撮られる各像は、上記閉じたイメージングパスによって等しく影響される。しかし、上記周囲照明のタイミングを検出すること、及び、必要であれば、細切れにシャッタされるイメージングパスの影響について上記イメージングデータをデジタル的に修正することも可能である。

【0083】

シャッタ９００は、上記ビームパスに沿って伝播する光を許容又はブロックすることができる、如何なる電気機械デバイスであってもよい。好ましい実施形態において、上記周囲光及び上記光学的なイメージングパス９０３は、図２９に示すようなビームチョッパ輪（beam chopper wheel）９０１によって遮られる。ビームチョッパ輪９０１は、上記シャッタ効果の半分の周波数で回転する。

【0084】

チョッパ輪９０１は、イメージングパスを或る周波数で遮断するために良い選択であり、通常、光学的シャッタと比べて高周波数で動作する。代わりとして、チョッパ輪は、上記パスを不透明にすることによって上記画像の記録を保留（停止）するために、電気光学変調器（electro optical modulator）、ＳＬＭ、又は、音響光学変調器（acousto-optical modulators）のような、異なるデバイスに置き換えられてもよい。他の代替手段においては、偏光フィルタ群を用い且つ種々の光の偏光感受透過（polarization sensitive transmission）を持つ電子デバイスを用いて、上記パスを閉じてもよい。これは、また、上記イメージングパスを効果的にブロックすることを可能にする。

【0085】

上記光源は、短いパルスで動作できる如何なるタイプの周囲光源であってもよい。光源９０２は、好ましくは、電気的にパルス状のＬＥＤから構成される。そのようなＬＥＤは、手術室の周囲照明に適しており、とても正確で且つ人間の目の上記周波数に比べてかなり高周波数で、パルス化されうる。

【0086】

＜実施例８Ｂ＞
図３０に示される代わりの実施形態は、上記イメージングのフェーズ１とフェーズ２との間に常に位置し且つ周囲照明のために設定された、異なる光源からの照明光の追加的なフェーズ（第３のフェーズ）を用いる。このフェーズは、フェーズ１及びフェーズ２の周波数の２倍の周波数で出現する。上記光源は、光源９０２と同様に独立していてもよいし、上記照明システムの光源１００に含まれていてもよい。この光源から発せられた光は、イメージングのために用いられる必要はなく、主に、上記物質及び／又は周辺環境における人間の目の視覚感知を改善するために用いられてもよい。

【0087】

上記基本的な実施形態において、イメージングエリアの照明は、イメージ成分の検出及びイメージ処理のため、及び、特に、異なる蛍光色素分子の分離のためだけに、最適化される。典型的には、そのような照明は、外科医の視覚的印象にとって、最適ではなく、映像コントラストが低く自然でない視覚的印象となる可能性がある。しかしながら、上記第３の照明フェーズのスペクトル分布及び強度は、自由であり、全ての照明フェーズに関して累積されて理解されるので、ユーザ（手術室における外科医及び医療関係者）にとっての全体の視覚感知及び明るさを最適化することができる。

【0088】

上記第３のフェーズの照明パルスは、図３０に示された上記２つのフェーズの間の上記イメージングセンサのデッドタイムにフィットするのに、十分に短い。通常、デッドタイムは、センサ２００から制御ユニット３００へデータを転送するときに生じる。このため、周囲光の高精度で短いパルスが必要とされる。上記イメージングシステムが３０Ｈｚの周波数で動く場合、パルス化された周囲照明は、この倍の周波数、つまり、６０Ｈｚで動いてもよい。上記周囲照明が１％のデューティサイクルを使う場合、パルスのパルス幅は、１７０μｓのオーダーであるべきである。上記周囲照明が５％デューティサイクルを使う場合、上記追加的な照明フェーズは、より明るいフィールドを提供し、パルス化された周囲照明の持続期間は８００μｓである。

【0089】

＜実施例９＞
以上の記述においては、２つの異なるフェーズで物質に対して照光する、スペクトル多重及び時間多重が組み合わされたシステムが記述されている。それでもなお、本発明は、より複雑なイメージングシナリオにおける更に多くのフェーズに対しても拡張することができる。例えば、これらによれば、上記反射率画像及び／又は蛍光画像についての、追加的なスペクトルの情報を取得することができる。以下では、マルチフェーズシステムの追加的な例が詳細に記述される。

【0090】

＜実施例９Ａ＞
図３１には、４つの光源を用いた４つのフェーズで動く方法が記述される。この例は、４つの異なる光源１１０，１２０，１３０，１４０と、複数のバンドで光を透過するイメージングシステム２００とを有する。図３２には、イメージング（検出）システム２００における、光透過のスペクトルと共に上記光源の発光スペクトルの個別の例が示されている。４つの光の上記スペクトルプロファイルは、それぞれ、複数のスペクトルバンドからなっている。光１，２の複数のスペクトルバンドは、上記イメージングシステムの複数のスペクトル減衰バンドと一致する一方、光３，４の複数のスペクトルバンドは、上記イメージングシステムの複数の透過バンドと一致する。図３３（照明の時間方向）に示すように、上記サンプルは、４つの光源１１０，１２０，１３０，１４０によって、４つのフェーズで連続して照らされる。各フェーズにおいて、１つの光が物質４００を照らす。この特定の例では、光１及び光２は、後に、蛍光を励起する。上記イメージングシステムのフィルタは、反射された励起光を減衰する一方で、蛍光発光を透過する。そして、上記第１光及び上記第２光の照光による複数の蛍光発光画像が形成される。次いで、物質４００は、光３，４によって照らされる。光３，４は、物質４００によって反射され、上記イメージングシステムによって透過され、上記反射率画像を形成する。トータルで、４つの画像が記録され、各画像は、各照明フェーズに由来している。（光１，２で照らしたときの）上記２つの蛍光画像は、上記複数の蛍光成分をスペクトル的に分離して処理されている、合成蛍光画像を形成するために、上記処理ユニット３００によって組み合わせられる。そして、（光３，４で照らしたときの）上記２つの反射率画像は、上記複数の反射成分をスペクトル的に分離して処理されている、合成反射率画像を形成するために、上記処理ユニット３００によって組み合わせられる。

【0091】

各センサが３つの検出チャネルを有していると仮定すると（例えば、スタンダードのＲＧＢカメラ）、４つのフェーズが終わった後には、上記システムは、６チャネルの組み合わせ対象の反射率画像、及び、６チャネルの組み合わせ対象の蛍光画像を記録している。

【0092】

ここに、上記マルチフェーズスペクトル多重方法の、種々の代替手段が存在する。各光のスペクトルプロファイルは、隣のものからスペクトル的に分離される必要はなく、同一ではないがスペクトル的に一部が重なっていてもよい。必要とされる唯一の条件は、蛍光を励起する上記複数の光が、イメージングシステム２００の透過バンド内にスペクトル成分を有していない、ことである。さらに、それらは連続的に行われる必要はなく、どんな順序であってもよい。他の代替手段は、励起のための複数の光の異なる組み合わせを有していてもよい。例えば、１つの光を蛍光のために用い、３つの光を反射率のためにＲＧＢセンサと共に用いる場合、上記蛍光画像を組み合わせること、及び、それらを分解して３つの蛍光成分と９つの反射成分とにすること、が可能である。又は、２つの光を蛍光のために用い、１つの光を反射率のために用いる場合、上記複数の画像を組み合わせること、及び、それを分離して６つの蛍光成分と３つの反射成分とにすること、が可能である。

【0093】

＜実施例１０＞
上記マルチスペクトルイメージング方法及びシステムは、種々のイメージング機器に組み入れることで実施されうる。図３４Ａに示される第１の実施形態では、マルチスペクトルイメージングシステムは、カメラアダプタによってディテクタ２００に取り付けることで、対物レンズとしてのズームレンズ２９１と共に用いられる。照明システム１００は、ライトガイドで上記物質へ光を運ぶ。図３４Ｂに示される他の実施形態は、検出システム２００は、外科用顕微鏡２９２のビデオポートに接続され、照明システム１００は、上記顕微鏡の対物レンズを介して上記物質を照らすために、照明ポートに繋がるライトガイドに接続されている。

【0094】

図３４Ｃに示される他の実施形態では、検出システム２００は、オプションとしてアダプタを用いて硬性内視鏡の接眼レンズポートに接続され、照明システム１００は、上記照明ポートのライトガイドに接続されている。図３４Ｄに示される他の実施形態では、検出システム２００は、小型化されて、フレキシブル内視鏡の先端に組み入れられる一方、照明システム１００は、その内視鏡の照明ポートに取り付けられている。

【0095】

図３４Ｅに示される他の実施形態では、検出システム２００は、フレキシブルファイババンドルを用いて画像を先端から末端まで伝えるフレキシブルファイバスコープのカメラポートに接続され、照明システム１００は、上記照明ポートに接続されている。

【0096】

＜実施例１１＞
以下では、本発明の進歩的な方法のいくつかの可能な応用が記述されている。
ａ）アプリケーションシナリオ：血液酸素化のイメージング：
以下の例では、組織における含酸素ヘモグロビンの非酸素ヘモグロビン（ＨｂＯ及びＨｂ）に対する相対的な濃度を算定することにより、酸素飽和度が、画像化される。図３５に示すように、ＨｂＯとＨｂとは区別可能な吸収スペクトルを有しているので、上記反射光は、上記システムで記録されうるスペクトルプロファイル情報を伝える。複数の反射成分を光学的に分離することにより、ａ）視覚化システムにおいて表示されるＲＧＢ画像、ｂ）ＨｂＯ成分及びＨｂ成分の生体内分布の追加的なマップを生成することができる。上記酸素飽和度のマップは、トータルのヘモグロビン飽和度に対するＨｂＯの割合によって算出する。

【0097】

ｂ）アプリケーションシナリオ：がん病巣、解剖学的特徴、又は機能的条件の検出：
他の想定されるアプリケーションは、体内の臨床診断イメージングのための注射可能な蛍光造影剤の生体内分布を視覚化するために、上記システムを用いることである。このような蛍光造影剤は、フルオレシン又はインドシアニングリーンのように非標的であり、血管新生、血液かん流等を強調してもよいし、又は、組織において関係のある機能的活性又は病的な活性と関係している分子部位へ結合することによって、癌のような蛍光発光する病気、炎症のような医学的状態、又は、神経節若しくはリンパ節のような解剖学的特徴を強調できるという意味で標的であってもよい。１つの例は、癌細胞におけるプロトポルフィリンの生成を誘発する化合物である、５−ＡＬＡを用いた、脳手術中の星細胞系腫瘍（glioblastoma tumors）のイメージングである。これらのアプリケーションは、外科用顕微鏡、内視鏡、腹腔鏡、胃カメラ、気管支鏡、検眼鏡、眼底カメラ等の医学的イメージングシステムに対しての上記進歩的な方法の統合を引き起こす可能性がある。

【0098】

ｃ）アプリケーションシナリオ：マルチリポーターイメージング（multi reporter imaging）：
特に興味深いのは、デュアルレポーターアプローチ（dual reporter diagnostic approaches）を用いた病床治療アプリケーションにおける上記進歩的なリアルタイムマルチスペクトルイメージング技術である。２つ以上の蛍光プローブを用いることにより、組織の病状又は機能状態にアクセスするための異なる生体指標についての多様な情報が得られる。異なる複数のエージェントの複数の生体内分布の組み合わせは、病気の特徴の検出感度及び特異度を増す。これは、分離後の複数の画像成分が、画像化ターゲット、つまり病変（lesion）の画像化を高めることができるからである。

【0099】

ｄ）アプリケーションシナリオ：機械検査（Machine inspection）：
リアルタイムマルチスペクトル蛍光イメージングの追加的な想定されるアプリケーションシナリオは、機械検査についてである。内部で封入されているために視覚的に検査することが難しい、ギヤのようなエンジン部品又は機械部品は、小さなクラックのような損傷を有している可能性がある。このような構造欠陥は、エンジン内を蛍光溶液で流して、蛍光液を留めるクラックの位置を内部で検査するための内視鏡を用いた後に、画像化されうる。リアルタイムマルチスペクトルイメージングは、カラー反射率画像及びカラー蛍光画像を同時に提供することができる。

【0100】

ｅ）アプリケーションシナリオ：感ｐＨ色素（pH sensitive dyes）：
化学的環境は、蛍光色素の上記発光又は励起に影響を与える可能性がある。上記色素の吸収特性及び発光特性を変えるパラメータの１つは、ｐＨ値である。

【0101】

発光感受性色素（emission sensitive dyes）の場合：
ｐＨ値の変化に対してスペクトル的に感受性があるシグナルを検出するように最適化された上記個別のフィルタ群の上記複数の透過バンドを有していることが好ましい。また、他の検出チャネルは主にｐＨ値の変化に対する感受性があるのに対して、最大限にｐＨ値に依存する複数の検出チャネルを有していることが好ましい。

【0102】

これは、例えば、それぞれ測定対象の複数の蛍光バンドの中心が、ｐＨ値の変化に対して色素発光スペクトルが極大となるスペクトルポイントに一致するように、又は、色素発光スペクトルがほとんどｐＨ値に依存しないスペクトルポイントに一致するように、複数の透過フィルタバンドを調整することによって、実現することができる。

【0103】

励起感受性色素（excitation sensitive dyes）の場合：
ｐＨ値の変化に対してスペクトル的に感受性があるシグナルを検出するように最適化された上記個別のフィルタ群及び光源群の複数の励起バンドを有することが好ましい。また、他の検出チャネルは主にｐＨ値の変化に対する感受性があるのに対して、検出チャネルのいくつかが最大限にｐＨ値に依存するような、複数の励起バンドを有することが好ましい。

【0104】

上記複数の励起フィルタバンドは、上記個別のバンド群の中心が、ｐＨ値の変化に対して色素励起スペクトルが極大となるスペクトルポイントに一致するように、又は、色素励起スペクトルがほとんどｐＨ値に依存しないスペクトルポイントに一致するように、調整されるべきである。

【0105】

上記記録された画像群は、マルチスペクトルで記録され、スペクトル的に分離され、ｐＨ値の空間分布を可視化するように処理される。

【0106】

ｆ）アプリケーションシナリオ：ＰＰＩＸ発光スペクトルにおける違いによる、腫瘍浸潤ゾーン（tumor infiltration zone）と固形腫瘍塊（solid tumor mass）との識別
腫瘍診断法に関して、腫瘍組織におけるプロトポルフィリンＩＸ（ＰＰＩＸ）の蓄積を導き出す、５−ＡＬＡが、患者に投与される。ＰＰＩＸは、蛍光色素であり、また、光線力学的療法のエージェントでもある。

【0107】

ＰＰＩＸの蛍光発光スペクトルは、場所及び腫瘍内の微少環境に基づいて変化する。さらに詳細には、上記浸潤ゾーンは、上記固形腫瘍塊と比べて、異なる蛍光発光スペクトルを呈する。このスペクトル的な相違は、上記腫瘍塊と上記浸潤ゾーンとを識別するために、用いることができる。

【0108】

６２０ｎｍ及び６３５ｎｍで極大となる２つの異なるピークのＰＰＩＸスペクトルが、上記進歩的なシステムで、記録され、分離されうる。

【0109】

さらに、他の蛍光色素分子と自己蛍光も記録されうる。

【0110】

ｇ）アプリケーションシナリオ：自己蛍光：
興味深いアプリケーションは、内在組織の自己発光、つまり、蛍光造影剤（例えば、蛍光色素分子）を投与することなしに通常発光される蛍光のスペクトル的な検出である。上記内在組織の自己発光は、ＮＡＤＰＨ、フラビン（flavins）、コラーゲン（collagen）、エラスチン（elastin）等のような、組織内に存在する又は組織で作り出された、種々の分子に起因する。この存在、生成、蓄積、又は他の濃度特性は、解剖学の特性、機能特性、及び病理学の特性のような、種々の組織特性とリンクしている。本発明に従った、組織自己発光のマルチスペクトルイメージング及び上記関連する複数の成分のスペクトル分離は、病状の判断及び診断を助ける、組織の特徴又は特性を明らかにすることができる。自己発光のマルチスペクトルイメージング及び分離は、前進的に投与された蛍光分子と共に行われる。

【0111】

ｈ）アプリケーションシナリオ：網膜イメージング（Retina imaging）：
網膜は、目を通して画像化されうる。現在、このイメージングモダリティは、網膜自体の診断目的のために、臨床診療において、用いられている。

【0112】

目は、網膜血管をダイレクトに見る、体の血管に対して、クリアな窓を提供する。本発明に従った、網膜のマルチスペクトルイメージング及びスペクトル分離を用いると、網膜内に存在しているか又は血管内を循環する、蛍光分子を特定することができる。これらの蛍光分子は、自由に循環するか、又は、細胞（可能性としては転移性の癌細胞）、微生物、ウイルス、若しくは、分子へ向かうために、全身的に投与されていてもよい。マルチスペクトルイメージング及び分離は、これらの物質を特定することができ、このことは、「病人」の機能状態若しくは病状にアクセスする助けとなる、一般的には血液循環についての情報、又は、ターゲットの循環についての情報を提供することができる。それゆえ、網膜自体についての情報を得るために、及び、血液内を循環している成分についての情報を得るために、網膜イメージングを用いることができる。

【0113】

ｉ）アプリケーションシナリオ：ロボット外科手術：
上記マルチスペクトルイメージング及びシステムの興味深いアプリケーションは、それを外科手術ロボットシステムと組み合わせることである。最初に、それは、手術を行う外科医に対して、反射カラードメインにおけるか、又は、（自己）発光ドメインにおける、組織の生体構造、機能、又は病気についての、ビジュアルマルチスペクトル情報を提供することができる。２番目のレベルでは、ロボット手術の安全性を向上させる入力を提供することができ、例えば、医師がうっかり組織（例えば、神経）にダメージを与えてしまうこと（つまり、カットしてしまうこと）を防ぐことができる。三番目のレベルでは、それは、人間の制御を減らした又は最少化した、自動ロボット外科手術手順に対して、直接的にインプット又はフィードバックを提供することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

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【図15】

【図16】

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【図30】

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